Intensiver Röntgenlaser aus Kupfer

Je kürzer die Wellenlänge von Laserlicht ist, desto kleinere Strukturen können damit untersucht werden. In den vergangenen Jahren wurden dazu sogenannte Freie-Elektronen-Laser entwickelt, die intensive Röntgenpulse für die Analyse von Werkstoffen, biologischen Proben und physikalischen Prozessen aussenden können. Physikern gelang es nun, Energiedichte und Qualität dieser Pulse im Bereich harter Röntgenstrahlung deutlich zu erhöhen. Dabei nutzten sie unterschiedliche Energieniveaus, zwischen denen stark gebundene Elektronen von Kupferatomen wechseln konnten. Über diesen Kupferlaser berichten sie in der Fachzeitschrift „Nature“.

Körniges Bild mit einem hellen Streifen in der Mitte.
Verbesserter Röntgenlaser

Hitoki Yoneda und seine Kollegen vom Spring-8-Center der japanischen Forschungsorganisation RIKEN führten ihre Experimente mit einem modernen Freie-Elektronen-Laser, kurz FEL genannt, durch. In diesem emittieren beschleunigte Elektronen, die von Magneten auf einer geschlängelten Flugbahn geführt werden, intensive Röntgenpulse. Um die Qualität dieser harten, gepulsten Röntgenstrahlung mit nur 0,15 Nanometer Wellenlänge zu verbessern, wurde sie von den Forschern auf eine nur 20 millionstel Meter dünne Folie aus Kupfer gelenkt.

Dank der hohen Energie dieser Röntgenpulse konnten nun stark gebundene Elektronen, die auf inneren Orbitalen sehr nah um die Atomkerne des Kupfers kreisten, auf höhere Energieniveaus gehoben werden. Mit diesem „Pumpen“ gelang es Yoneda und Kollegen, die höheren Niveaus mit Elektronen aufzufüllen, während die unteren Energieniveaus sich leerten. Diese sogenannte Inversion ist die Grundlage für die Aussendung intensiver Laserstrahlung.

In genau synchronisierten Zeitabständen schickten die Forscher nun mit dem Freie-Elektronen-Laser weitere Röntgenpulse auf die Kupferfolie. Die Energie dieser „Impfpulse“ entsprach genau dem Abstand zwischen den beiden Elektronenniveaus. Erreichte ein Impfpuls die Kupferatome, fielen die angeregten Elektronen wieder auf ihre ursprünglichen Kreisbahnen zurück. Dabei sendeten sie ebenfalls Röntgenlicht aus. So ließ sich die Anzahl der Lichtteilchen, der Photonen, im Impfpuls signifikant erhöhen. Das Ergebnis war ein kohärenter Röntgenpuls mit einer so hohen Gesamtenergie wie sie ein Freier-Elektronen-Laser allein nicht erreichen könnte.

Mit diesem Kupfer-Röntgenlaser können nun kurze, stark fokussierte Pulse mit besserer Qualität als mit einem Freien-Elektronen-Laser allein erzeugt werden. Yoneda und Kollegen gehen davon aus, dass damit genauere und auch schnellere Analysen beliebiger Proben möglich werden.